Zou er leven kunnen zijn op Saturnus 'grote maan Titan? Door de vraag te stellen, worden astrobiologen en scheikundigen gedwongen zorgvuldig en creatief na te denken over de chemie van het leven en hoe deze op andere werelden anders kan zijn dan op aarde. In februari publiceerde een team van onderzoekers van de Cornell University, waaronder afgestudeerde student chemische technologie James Stevenson, planetair wetenschapper Jonathan Lunine, en chemisch ingenieur Paulette Clancy, een baanbrekend onderzoek waarin werd beweerd dat celmembranen zich zouden kunnen vormen onder de exotische chemische omstandigheden die aanwezig zijn op deze opmerkelijke maan .
In veel opzichten is Titan de tweeling van de aarde. Het is de op één na grootste maan in het zonnestelsel en groter dan de planeet Mercurius. Net als de aarde heeft het een substantiële atmosfeer, met een atmosferische oppervlaktedruk die iets hoger is dan die van de aarde. Naast de aarde is Titan het enige object in ons zonnestelsel waarvan bekend is dat het vloeistofophopingen op het oppervlak heeft. NASA's Cassini-ruimtesonde ontdekte overvloedige meren en zelfs rivieren in de poolgebieden van Titan. Het grootste meer of de zee, Kraken Mare genaamd, is groter dan de Kaspische Zee op aarde. Onderzoekers weten uit zowel ruimtevaartwaarnemingen als laboratoriumexperimenten dat de atmosfeer van Titan rijk is aan complexe organische moleculen, de bouwstenen van het leven.
Door al deze functies lijkt het alsof Titan verleidelijk geschikt is voor het leven. De naam ‘Kraken’, die verwijst naar een legendarisch zeemonster, weerspiegelt fantasievol de gretige hoop van astrobiologen. Maar Titan is de buitenaardse tweeling van de aarde. Omdat het bijna tien keer zo ver van de zon verwijderd is als de aarde, is de oppervlaktetemperatuur een ijskoude -180 graden Celsius. Vloeibaar water is van vitaal belang voor het leven zoals we het kennen, maar op het oppervlak van Titan is al het water vast bevroren. Waterijs neemt de rol op zich die siliciumhoudend gesteente op aarde speelt en vormt de buitenste lagen van de korst.
De vloeistof die de meren en rivieren van Titan vult, is geen water, maar vloeibaar methaan, waarschijnlijk vermengd met andere stoffen zoals vloeibaar ethaan, allemaal gassen hier op aarde. Als er leven is in de zeeën van Titan, is het niet het leven zoals wij het kennen. Het moet een vreemde levensvorm zijn, met organische moleculen opgelost in vloeibaar methaan in plaats van vloeibaar water. Is zoiets zelfs mogelijk?
Het Cornell-team nam een belangrijk onderdeel van deze uitdagende vraag op zich door te onderzoeken of celmembranen in vloeibaar methaan kunnen voorkomen. Elke levende cel is in wezen een zelfvoorzienend netwerk van chemische reacties, opgesloten in grensmembranen. Wetenschappers denken dat celmembranen al heel vroeg in de geschiedenis van het leven op aarde zijn ontstaan en dat hun vorming misschien zelfs de eerste stap in de oorsprong van het leven is geweest.
Hier op aarde zijn celmembranen net zo vertrouwd als de biologieles van de middelbare school. Ze zijn gemaakt van grote moleculen die fosfolipiden worden genoemd. Elk fosfolipidemolecuul heeft een ‘kop’ en een ‘staart’. De kop bevat een fosfaatgroep, met een fosforatoom gekoppeld aan verschillende zuurstofatomen. De staart bestaat uit een of meer reeksen koolstofatomen, doorgaans 15 tot 20 atomen lang, met aan elke zijde waterstofatomen. Het hoofd heeft vanwege de negatieve lading van zijn fosfaatgroep een ongelijke verdeling van elektrische lading en we zeggen dat het polair is. De staart is daarentegen elektrisch neutraal.
Deze elektrische eigenschappen bepalen hoe fosfolipidemoleculen zich zullen gedragen wanneer ze in water worden opgelost. Water is elektrisch gezien een polair molecuul. De elektronen in het watermolecuul worden sterker aangetrokken door het zuurstofatoom dan door de twee waterstofatomen. Dus de kant van het molecuul waar de twee waterstofatomen zijn heeft een lichte positieve lading en de zuurstofkant heeft een kleine negatieve lading. Deze polaire eigenschappen van water zorgen ervoor dat het de polaire kop van het fosfolipidemolecuul aantrekt, waarvan wordt gezegd dat het hydrofiel is, en stoot zijn niet-polaire staart af, waarvan wordt gezegd dat het hydrofoob is.
Wanneer fosfolipidemoleculen worden opgelost in water, werken de elektrische eigenschappen van de twee stoffen samen om ervoor te zorgen dat de fosfolipidemoleculen zichzelf organiseren in een membraan. Het membraan sluit zich op zichzelf in een kleine bol die een liposoom wordt genoemd. De fosfolipidemoleculen vormen een dubbellaag van twee moleculen dik. De polaire hydrofiele koppen zijn naar buiten gericht naar het water op zowel het binnen- als het buitenoppervlak van het membraan. De hydrofobe staarten zitten ertussen geklemd, naar elkaar toe gericht. Terwijl de fosfolipidemoleculen gefixeerd blijven in hun laag, met hun hoofd naar buiten en hun staart naar binnen gericht, kunnen ze nog steeds ten opzichte van elkaar bewegen, waardoor het membraan de vloeibare flexibiliteit krijgt die nodig is voor het leven.
Fosfolipide dubbellaagse membranen vormen de basis van alle terrestrische celmembranen. Zelfs op zichzelf kan een liposoom groeien, zich voortplanten en bepaalde chemische reacties ondersteunen die belangrijk zijn voor het leven.Daarom denken sommige biochemici dat de vorming van liposomen de eerste stap in hun leven zou kunnen zijn. In ieder geval moet de vorming van celmembranen zeker een vroege stap zijn in de opkomst van het leven op aarde.
Als er een of andere vorm van leven bestaat op Titan, of het nu een zeemonster is of (waarschijnlijker) een microbe, dan zou het vrijwel zeker een celmembraan nodig hebben, net als elk levend wezen op aarde. Kunnen fosfolipide dubbellaagse membranen worden gevormd in vloeibaar methaan op Titan? Het antwoord is nee. In tegenstelling tot water heeft het methaanmolecuul een gelijkmatige verdeling van elektrische ladingen. Het mist de polaire eigenschappen van water en kan dus de poolkoppen van het fosfolipidemolecuul niet aantrekken. Deze aantrekkingskracht is nodig om de fosfolipiden een celmembraan in aardestijl te laten vormen.
Er zijn experimenten uitgevoerd waarbij fosfolipiden bij aardse kamertemperatuur worden opgelost in niet-polaire vloeistoffen. Onder deze omstandigheden vormen de fosfolipiden een 'binnenstebuiten' tweelaags membraan. De poolkoppen van de fosfolipidemoleculen staan in het midden en worden door hun elektrische ladingen tot elkaar aangetrokken. De niet-polaire staarten zijn naar buiten gericht aan elke kant van het binnenstebuiten membraan, gericht naar het niet-polaire oplosmiddel.
Zou het leven van Titanian een binnenstebuiten fosfolipidenmembraan kunnen hebben? Het Cornell-team concludeerde dat dit om twee redenen niet zou werken. De eerste is dat bij de cryogene temperaturen van vloeibaar methaan de staarten van fosfolipiden stijf worden, waardoor elk binnenstebuiten membraan dat de voor het leven noodzakelijke vloeibare flexibiliteit zou kunnen vormen, wordt ontnomen. De tweede is dat twee belangrijke ingrediënten van fosfolipiden; fosfor en zuurstof zijn waarschijnlijk niet beschikbaar in de methaanmeren van Titan. In hun zoektocht naar Titanian celmembranen moest het Cornell-team verder gaan dan het bekende rijk van de biologie van de middelbare school.
Hoewel ze niet waren samengesteld uit fosfolipiden, redeneerden de wetenschappers dat elk Titanian-celmembraan toch zou zijn als de binnenstebuiten fosfolipidemembranen die in het laboratorium zijn gemaakt. Het zou bestaan uit polaire moleculen die elektrisch aan elkaar vastklampen in een oplossing van niet-polair vloeibaar methaan. Welke moleculen kunnen dat zijn? Voor antwoorden keken de onderzoekers naar gegevens van het Cassini-ruimtevaartuig en van laboratoriumexperimenten die de chemie van de atmosfeer van Titan reproduceerden.
Het is bekend dat de atmosfeer van Titan een zeer complexe chemie heeft. Het bestaat voornamelijk uit stikstof en methaangas. Toen het Cassini-ruimtevaartuig de samenstelling ervan analyseerde met spectroscopie, vond het sporen van een verscheidenheid aan verbindingen van koolstof, stikstof en waterstof, nitrillen en amines genaamd. Onderzoekers hebben de chemie van de atmosfeer van Titan in het laboratorium gesimuleerd door mengsels van stikstof en methaan bloot te stellen aan energiebronnen die zonlicht op Titan simuleren. Er wordt een stoofpot van organische moleculen gevormd, ‘tholins’ genaamd. Het bestaat uit verbindingen van waterstof en koolstof, koolwaterstoffen genoemd, evenals nitrilen en amines.
De Cornell-onderzoekers zagen nitrilen en amines als potentiële kandidaten voor hun Titanian celmembranen. Beide zijn polaire moleculen die aan elkaar kunnen plakken om een membraan te vormen in niet-polair vloeibaar methaan vanwege de polariteit van stikstofhoudende groepen die in beide voorkomen. Ze redeneerden dat kandidaat-moleculen veel kleiner moeten zijn dan fosfolipiden, zodat ze bij vloeibare methaantemperaturen vloeibare membranen kunnen vormen. Ze beschouwden nitrillen en amines die snaren bevatten tussen drie en zes koolstofatomen. Stikstofhoudende groepen worden ‘azoto’ -groepen genoemd, dus noemde het team hun hypothetische Titanische tegenhanger van het liposoom het ‘azotosoom’.
Het synthetiseren van azotosomen voor experimenteel onderzoek zou moeilijk en duur zijn geweest, omdat de experimenten zouden moeten worden uitgevoerd bij de cryogene temperaturen van vloeibaar methaan. Maar omdat de kandidaat-moleculen om andere redenen uitgebreid zijn bestudeerd, voelden de Cornell-onderzoekers zich gerechtvaardigd om zich tot de instrumenten van de computerchemie te wenden om te bepalen of hun kandidaat-moleculen als een flexibel membraan in vloeibaar methaan konden samenhangen. Computationele modellen zijn met succes gebruikt om conventionele fosfolipide celmembranen te bestuderen.
Uit de computationele simulaties van de groep bleek dat sommige kandidaat-stoffen konden worden uitgesloten omdat ze niet als een membraan zouden samenhangen, te stijf zouden zijn of een vaste stof zouden vormen. Niettemin lieten de simulaties ook zien dat een aantal stoffen membranen zouden vormen met geschikte eigenschappen. Een geschikte stof is acrylonitril, waarvan Cassini aantoonde dat het aanwezig is in de atmosfeer van Titan met een concentratie van 10 delen per miljoen. Ondanks het enorme temperatuurverschil tussen cryogene azotozomen en liposomen op kamertemperatuur, toonden de simulaties aan dat ze opvallend vergelijkbare eigenschappen vertoonden van stabiliteit en respons op mechanische stress. Celmembranen zijn dus mogelijk voor het leven in vloeibaar methaan.
De wetenschappers van Cornell zien hun bevindingen als niets anders dan een eerste stap om te laten zien dat leven in vloeibaar methaan mogelijk is, en om de methoden te ontwikkelen die toekomstige ruimtevaartuigen nodig zullen hebben om ernaar te zoeken op Titan. Als leven mogelijk is in vloeibaar methaan, reiken de implicaties uiteindelijk tot ver buiten Titan.
Bij het zoeken naar omstandigheden die geschikt zijn voor het leven in de melkweg, zoeken astronomen doorgaans naar exoplaneten binnen de bewoonbare zone van een ster, gedefinieerd als het smalle afstandsbereik waarover een planeet met een aardachtige atmosfeer een oppervlaktetemperatuur zou hebben die geschikt is voor vloeibaar water. Als methaanleven mogelijk is, zouden sterren ook een methaan bewoonbare zone hebben, een gebied waar methaan zou kunnen bestaan als vloeistof op een planeet of maan, waardoor methaanleven mogelijk wordt. Het aantal bewoonbare werelden in de melkweg zou enorm toenemen. Misschien evolueert het methaanleven op sommige werelden in complexe vormen die we ons nauwelijks kunnen voorstellen. Sommige lijken misschien zelfs een beetje op zeemonsters.
Referenties en verder lezen:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Wacht even, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Life on Titan Coulds Smelly and Explosive, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulating Titan organic chemistry in the Cassini-Huygens era, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titan's Majestic Mirror-achtige meren komen deze week onder de loep van Cassini, Space Magazine.
J. Major (2013) De noordpool van Titan zit vol met meren, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Mogelijkheden voor methanogeen leven in vloeibaar methaan op het oppervlak van Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membraanalternatieven in werelden zonder zuurstof: Creatie van een azotosoom, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan-onderzeeër: Verkenning van de diepten van Kraken, NASA Glenn Research Center, Persbericht.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA en ESA vieren 10 jaar sinds de landing van Titan, NASA 2015
